자연적인 위치에너지를 이용한 수리동력학적 분리장치에 의한 강우 유출수 처리에 관한 연구 = Performance evaluation of hydrodynamic separator for treating rainfall runoff from bridge using natural waterhead

국문 초록 (Abstract)

도시화, 산업화의 진전으로 토지개발이 가속화 되고 교량, 도로, 주차장등 불투수층 면적이 늘어남에 따라 비점오염원에 의한 하천, 호소의 수질영향이 커지고 있다. 도로 노면에서 강우와 더불어 유출되는 토사, 부유물질, 질소, 인 영양염류, 고농도의 중금속 등의 오염물질은 수집, 처리가 어려워 현재로는 처리 없이 바로 하천으로 유입됨으로서 수질을 오염시키고 이에 따라 물고기가 집단 폐사하거나 저서생물의 서식처가 파괴되어 수생태계가 교란되고 있다.
본 연구에서는 강우시 교량노면에서 발생되는 강우 유출수에 함유된 오염물질 제거방안을 구상한 결과 교량이 제공하는 자연적인 위치에너지를 활용한 처리기술인 수리동력학적 분리기술을 구상하게 되었다. 선행연구로 실시한 실험실 조건에서 수리동력학적 분리장치 분리실험을 운전한 결과 최적의 성능 및 설계인자를 도출한 후 실증플랜트를 설치하게 되었다. 수리동력학적 처리기술중 하나인 하이드로 사이클론은 가장 적은 용량으로 가장 효율적으로 입자상 오염물질을 분리 할 수 있는 기술로 이미 많은 사업에서 적용되고 있으며 외부동력원 없이 교량이 제공하는 위치에너지를 활용할 수 있는 장점이 있다.
수리동력학적 분리기술 성능 분석 결과 2~10m의 수압조건에서 교량노면 면적 500m2로부터 발생되는 강우 유출수에 함유된 30~90%의 TSS 분리효율을 달성하였다. 분리효율은 강우강도와 배수면적에 의해 결정되며 강우강도 7.0mm/hr일 때 5.4m의 압력이 생성되어 약 60%정도의 분리 제거 효율을 얻을 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As urbanization and industrialization increases, land development accelerates and with the expansion of impervious area including bridges, roads, and parking lots, influence on the water quality of rivers, streams and lakes, which is related to non-point source pollution, is becoming stronger and stronger. For rainwater outflow from road surface, collection and treatment of suspended solid including sediment, nitrogen, hardness, nutrients salt and high concentration heavy metal is difficult, especially those which are discharged into river and stream directly without any treatment. They cause pollution to water, fishes die in group, benthic organism's habitat is destroyed and the water eco-system is disturbed.
The objective of this research is to conceive from the removal scheme of bridge surface rainwater outflow on rainy days, a treatment technology that can make flexible use of potential energy provided by a bridge. We call it hydrodynamic separation technology. Operating research results from the separation experiment done with the hydrodynamic separation facility under implemented laboratory condition showed the lowest property and after the design factor is derived, a proof plant is set up. Among the hydrodynamic treatment technologies, hydrocyclone has the best efficiency with the least quantity to separate particle pollution However it needs external power supply. It is a kind of treatment technology which tries to make flexible use of natural position energy provided by a bridge without external power supply like pump.
The hydrodynamic treatment technology showed that 2~10m of water pressure condition can achieve outflow separation efficiency of 500m2 bridge surface area including 30~90% of TSS. Separation efficiency depends on the intensity of the rainfall and outflow area. When the rainfall intensity is 7.0mm/hr, 5.4m of pressure will occur and can achieve about 60% separation and removal efficiency.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 1 연구 배경과 목적 1
• 1. 2 연구 범위 2
• 1. 3 연구 내용 2
• Ⅱ. 문헌연구 3
• 2. 1 비점오염원 3
• 2. 2 토지이용별 비점오염발생 및 유출특성 7
• 2. 2. 1 도로지역에서 발생되는 비점오염물질 7
• 2. 2. 2 농촌지역에서 발생되는 비점오염물질 10
• 2. 3 초기강우현상 12
• 2. 4 비점오염 저감시설의 종류 14
• 2. 4. 1 저류형 시설 15
• 2. 4. 2 침투형 시설 16
• 2. 4. 3 식생형 시설 17
• 2. 4. 4 장치형 시설 18
• 2. 5 수리동력학적 분리기술 21
• 2. 5. 1 수리동력학적 분리기술 현황 21
• 2. 5. 2 수리동력학적 분리기술 원리 및 구조 22
• 2. 5. 3 수리동력학적 분리기술 제거효율 24
• 2. 5. 4 수리동력학적 분리장치의 국외현황 25
• Ⅲ. 실험장치 및 연구방법 30
• 3. 1 실험실 규모의 실험장치 구성 30
• 3. 1. 1 하이드로 사이클론 제작 30
• 3. 1. 2 실험장치의 운전 및 방법 31
• 3. 1. 3 실험실 규모 설계 32
• 3. 1. 4 실제 도로 강우 유출수를 이용한 분리실험 36
• 3. 2 도로강우 유출수 처리 실증 테스트 베드의 설치 37
• 3. 2. 1 분리장치 및 초기강우 유출수 포착장치의 설계 37
• 3. 2. 2 실증 테스트 베드의 설치 38
• 3. 2. 3 실증 테스트 베드의 분리성능 모니터링 41
• Ⅳ. 연구결과 및 고찰 43
• 4. 1 선행연구(실험실내) 특성 연구 43
• 4. 1. 1 수리동력학적 분리장치를 이용한 분리실험 43
• 4. 1. 2 자유수두를 이용한 분리실험 48
• 4. 1. 3 실제도로 강우 유출수를 이용한 분리실험 49
• 4. 2 실증 플랜트 설치 특성 연구결과 50
• 4. 2. 1 초기강우 유출수 포착실험 결과 50
• 4. 2. 2 유량-압력, 강우강도-유량관계 53
• 4. 2. 3 분리장치에서 유량과 내부압력에 따른 유량분율 54
• 4. 2. 4 분리장치에서 유량과 내부압력에 따른 TSS 분리효율 56
• 4. 2. 5 물수지 및 물질수지 58
• 4. 2. 6 수리동력학적 분리장치 하부배출수의 실험실내 침강 실험 결과 59
• 4. 2. 7 강우시 침강지(전처리 시설) 모니터링 61
• 4. 2. 8 배수면적과 강우강도의 압력과의 관계 63
• 4. 2. 9 수리동력학적 분리장치와 타 BMP와의 저감효율 비교 64
• 4. 2. 10인공습지(후속처리장치)에서 제거효율 65
• Ⅴ. 결 론 67
• 참고문헌 69
• 영문초록 71